Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Programmable logic devices were introduced about fifteen years ago and nowadays they are used in areas like Telecommunications, Instrumentation and more recently Power Electronics. This work presents the application of an FPGA device in the control of a ballast circuit for driving high intensity discharge lamps. The electronic ballast presents improvements regarding the previous electromagnetic reactors, due to their small size and weight and also because they guarantee a longer life time for the lamps. In order to test and verify the proposed control strategy, a prototype was built to drive 70W,150W and 250W metal halide and high pressure sodium lamps. Beyond the vantages above mentioned, the prototype also presented a notable reduction in the time needed for the lamp to achieve maximum brightness, in comparison to magnetic reactors. / Os dispositivos lógicos programáveis surgiram há cerca de quinze anos e hoje são utilizados em áreas como Telecomunicações, Instrumentação e mais recentemente em Eletrônica de Potência. Este trabalho apresenta a aplicação de um dispositivo FPGA no controle de um circuito ballast eletrônico para acionamento de lâmpadas de alta intensidade de descarga (AID). Os reatores eletrônicos apresentam sensíveis melhorias com relação aos reatores eletromagnéticos por apresentarem menor peso e volume e também por garantirem uma maior vida útil às lâmpadas. Para testar e verificar a estratégia de controle proposta, dois protótipos foram construídos para alimentar lâmpadas AID de vapor de sódio e de vapor metálico de 70W, 150W e 250W. Além das vantagens citadas anteriormente, entre os resultados apresentados pelo protótipo destaca-se a notável redução no tempo para se atingir o brilho máximo da lâmpada com relação aos reatores magnéticos. / Doutor em Ciências

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This dissertation consists of the design of an electronic ballast to drive high pressure discharge (HID) lamps, focusing on low power applcations. An innovative modified yback conveter is proposed as main part of an electronic ballast able to adequately supply HID lamps with low frequency square waveform current. From a continuos (DC) voltage source (e.g. battery or rail of a power factor correction converter, PFC), a yback arrangement is inserted into a switching structure whose output provides low frequency voltage yet avoiding instability issues. Proposals main advantage is the use of one single choke of simple assembly and only two common reference ground active switches for current control and voltage inversion. In this work, proposed converter principle of operation and its complete design are presented for both continuos (CCM) and disconinuos (DCM) conduction modes. Small-signal AC models for the converter in CCM and DCM, as well as the feedback closed-loop design for lamp power regulation are proposed based upon frequency response stability and performance analysis. For DCM, a small-signal AC model is obtained with the insertion of the HID lamp dynamics, enabling direct lamp current feedback with power regulation. For CCM, however, the AC model is obtained for a resistive load, with output power feedback implemented via an inner (inductor current)and an outer (power) loop is proposed, guaranteeing stability by analyzing the closed loop converter outut impedance. For DCM, a prototype has been developed and implemented to supply a 70W high pressure sodium lamp (HPS) either from a PFC DC rail or from AC mains via the integration of a converter for PFC purposes (buck-boost). Another prototype has been developed for the CCM design to supply a 35W metal-halide lamps from an automotive battery. Experimental results are presented for both prototypes in order to confirm their performances. Besides, simulation results from Matlab and PSIM are also presented, as well as discussions about methods and converters feasibility. / Esta dissertação consiste no desenvolvimento de um reator eletrônico para alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão (HID), focando em aplicações de baixa potência. Um inovador circuito yback modificado é proposto como parte principal de um reator eletrônico para adequada alimentação de lâmpadas HID aplicando uma corrente com forma de onda quadrada de baixa frequência. A partir de uma fonte de tensão contínua (CC) (por exemplo uma bateria ou barramento de saída de um conversor para correção de fator de potência, PFC), um arranjo tipo yback é inserido em uma estrutura de comutação cuja saída garante forma de onda quadrada de tensão ainda evitando problemas de instabilidade. A principal vantagem da proposta é o uso de um único indutor acoplado de simples construção e de apenas dois interruptores ativos, ambos conectados ao mesmo de terra de referência, para executar o controle de corrente e a inversão de tensão. Neste trabalho, o princípio de operação do conversor e seu projeto completo são apresentados para modo continuo (CCM) e descontínuo (DCM) de condução. Para DCM, um modelo CA de pequenos sinais é obtido com a inserção da dinâmica da lâmpada HID, habilitando realimentação direta da corrente na lâmpada com regulação de potência. Para CCM, no entanto, o modelo CA é obtido para carga resistiva, com realimentação da potência de saída implementada a partir de uma malha fechada interna (corrente no indutor) e outra externa (regulação de potência), efetuando-se a análise da estabilidade a partir da impedância de saída do conversor. Um protótipo foi desenvolvido e implementado para operação em DCM, alimentando uma lâmpada de vapor de sódio (HPS) de 70W a partir do barramento de saída de um conversor PFC ou a partir da rede CA através da integração de um conversor PFC na entrada (buck-boost). Para CCM, outro protótipo foi desenvolvido para alimentar uma lâmpada de multi-vapores metálicos de 35W a partir de uma bateria automotiva. Resultados experimentais são apresentados para os protótipos, confirmando o desempenho dos conversores projetados. Além disso, resultados de simulações utilizando Matlab e PSIM são também apresentados, assim como discussões sobre os métodos empregados e a viabilidade dos conversores propostos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis proposes a design of a power supply for high-pressure discharge lamps based on a high efficiency and high power factor electronic ballast, without exciting the intrinsic acoustic resonance. The ballast consists on a bipolar buck chopper operating in continuous conduction mode (CCM), with an input filter, and an igniter circuit. It works with a switching frequency of 33 kHz and supplies the lamp in the mains frequency. The igniter circuit provides the necessary high voltage for the lamp's startup initial procedure. It is controlled by an 8 bits microcontroller, thus contributing to reduction in the number of parts and the ballast final cost, without compromising its reliability. Two possible solutions for an igniter circuit are proposed, the first based on a igniter device, and the second on a LC resonant circuit. A study on the ignition process and the required circuits to guarantee it, and a brief review on the electrical characteristics of electromagnetic ballasts are also included as secondary contributions. Experimental results with a 70W HPS lamp supplied by a 220V±20% and 60 Hz mains, are presented to validate the proposed ballast. The behavior of the experimental ballast shows that it is a good choice in avoiding unstable effects provoked by acoustic resonance phenomenon. / Esta dissertação apresenta o projeto de uma fonte de alimentação para lâmpadas de descarga em alta pressão baseada em um reator eletrônico com alto rendimento e ótimo fator de potência que não excita de forma destrutiva a ressonância acústica (AR). O reator consiste de um conversor buck bipolar operando em modo continuo (CCM), com filtro de entrada acoplado e com um circuito de ignição. O conversor opera em 33 kHz e alimenta a lâmpada em freqüência de rede. O circuito de ignição fornece a alta tensão para a formação inicial do arco elétrico. O controle do reator é implementado em um microcontrolador de 8 bits, o que contribui com a redução do número de componentes e do custo final do sistema, sem prejudicar a confiabilidade do mesmo. Duas propostas de circuito de ignição são apresentadas, uma baseada em um dispositivo ignitor, e a segunda em um circuito LC ressonante. Uma breve revisão e avaliação das características elétricas do reator eletromagnético é também apresentada a título de comparação. Um estudo do processo de ignição e os circuitos necessários a formação do arco é também incluído. Resultados experimentais para uma lâmpada HPS de 70W alimentada a partir de uma rede de 220V±20% e 60Hz são apresentados para validar o reator proposto e demonstram que este é uma boa escolha para evitar os efeitos danosos do fenômeno da ressonância acústica.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis proposes to improve the efficiency of public illumination systems by means of AC chopper based power converters. A comparative study of high performance AC/AC converters feeding high pressure sodium lamps on mains frequency is presented. These converters are obtained using standard DC/DC topologies with bi-directional switches (four quadrants). A high pressure lamp ballast design methodology is also presented, based on the suppositions of high input power factor and without exciting acoustic resonances at destructive levels. The topologies used are the Buck-Boost, Ćuk, SEPIC and ZETA operating on continuous current mode, with or without input filter, and an ignition circuit. The converters' switching frequencies are 33 kHz feeding the lamp at low frequency (mains frequency). The ignition circuit providing the high voltage required to guarantee the initial arc to start-up the lamp, is presented, analyzed and optimized in the thesis. To control the ballast a 32 bits microcontroller is used, contributing to reduce the component count and the overall system cost. The base to propose a new control design methodology and power circuit parts specification is the Brazilian standards and a comparison with the electromagnetic ballasts output waveforms. Experimental results supplying a 70 W HPS lamp, connected to the mains (220 V ±20% e 60 Hz) through the proposed ballasts, are presented in order to validate the thesis. / Este trabalho visa aprimorar os sistemas de iluminação pública aplicando reatores eletrônicos baseados em conversores CA/CA. Apresenta-se um comparativo entre conversores tradicionais CC/CC, aplicando a eles interruptores bidirecionais em tensão e corrente, de modo a alimentar a lâmpada de alta pressão de sódio na frequência da rede de alimentação, formando um conversor estático CA/CA com alto rendimento. Apresenta uma metodologia de projeto para fonte de alimentação de lâmpadas de descarga em alta pressão baseada em reatores eletrônicos com alto rendimento e elevado fator de potência, que não excitam de forma destrutiva a ressonância acústica (AR). O reator consiste dos conversores Buck-Boost, Ćuk, SEPIC e ZETA bipolares operando por modulação de largura de pulso (PWM) em modo de condução de corrente contínua (CCM), com ou sem filtro de entrada acoplado e com um circuito de ignição. O conversor opera em 33 kHz e alimenta a lâmpada na frequência da rede. O circuito de ignição fornece a alta tensão para a formação inicial do arco elétrico e neste trabalho de doutoramento foi equacionado e otimizado quando comparado ao modelo tradicional. O controle do reator é implementado em um microcontrolador de 32 bits, o que contribui com a redução do número de componentes e do custo final do sistema, sem prejudicar a confiabilidade do mesmo. As formas de onda de saída de reatores eletromagnéticos e as normas vigentes servem de base para o dimensionamento dos componentes e a obtenção de uma nova metodologia de controle. Resultados experimentais para uma lâmpada HPS de 70 W alimentada a partir de uma rede de 220 V ±20% e 60 Hz são apresentados para validar os reatores propostos.

Submitted by isabela.moljf@hotmail.com (isabela.moljf@hotmail.com) on 2017-03-02T14:35:50Z No. of bitstreams: 1 claudiorobertobarbosasimoesrodrigues.pdf: 2278203 bytes, checksum: ededd970b17fc08adbb3d55174389663 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:43:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 claudiorobertobarbosasimoesrodrigues.pdf: 2278203 bytes, checksum: ededd970b17fc08adbb3d55174389663 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T19:43:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 claudiorobertobarbosasimoesrodrigues.pdf: 2278203 bytes, checksum: ededd970b17fc08adbb3d55174389663 (MD5) Previous issue date: 2009-04-16 / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Este trabalho apresenta a proposta de um reator eletrônico ressonante dedicado à realização de testes de funcionalidade básica de lâmpadas de vapor de sódio e de vapor de mercúrio em alta pressão. Os testes são realizados com potência reduzida visando economizar energia elétrica e minimizar o ofuscamento dos operadores. O reator proposto é parte integrante de um sistema de reatores eletrônicos que deve substituir um conjunto de reatores eletromagnéticos utilizados em uma bancada de testes de componentes de iluminação pública. A utilização do conjunto de reatores substitutos propiciará a redução do peso e do volume da bancada, facilitando sua confecção em escala. O trabalho inclui um estudo teórico sobre lâmpadas de descarga de alta intensidade (HID) e sobre o fenômeno da ressonância acústica, que pode acometer estas lâmpadas quando são alimentadas em alta freqüência. O estudo sobre reatores eletrônicos para lâmpadas HID apresentado enfatiza o reator eletrônico série-paralelo ressonante. Este reator é utilizado neste trabalho para a realização dos testes com potência reduzida das lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão de 70W e vapor de mercúrio em alta pressão de 125W sem a excitação do fenômeno da ressonância acústica e sem a necessidade de modificação de nenhum parâmetro do circuito. Para isto, foi desenvolvida uma metodologia para que o projeto do circuito ressonante série-paralelo pudesse atender ambas as lâmpadas em operação dimerizada. Apresentam-se ainda resultados experimentais dos testes realizados com o reator implementado. / This work presents a proposal of a resonant electronic ballast intended for the basic functionally testing of high pressure sodium and mercury lamps. The tests are performed with reduced power in order to save energy and to minimize operators’ glare effect. The proposed ballast is part of an electronic system that would replace a number of electromagnetic ballasts used in a lighting components bench test equipment. The use of this electronic system will provide the reduction of the weight and volume of the bench test equipment, favoring its commercial production. Theoretical studies about high intensity discharge lamps and acoustic resonance phenomenon, which can affect those kind of lamps in high frequency operation, are accomplished. The study of electronic ballasts for HID lamps presented emphasizes the series-parallel load resonant ballast. This ballast is used in this work for testing 70W high pressure sodium lamps and 125W high pressure mercury vapour lamps with reduced power, without exciting the acoustic resonance phenomenon and with no need of any circuit parameter modification. For this purpose, it was developed a design methodology of the series-parallel resonant circuit aiming dimmed operation of both lamps. Experimental results of tests performed with the implemented ballast are also included.